【正文】 （2）實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)三維圖形的生成技術(shù)已比較成熟，而關(guān)鍵是如何“實(shí)時(shí)生成”，在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究?jī)?nèi)容。（3）新型交互設(shè)備的研制虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)人能夠自由地與虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互，猶如身臨其境，借助的輸入輸出設(shè)備主要有頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維位置傳感器和三維聲音產(chǎn)生器等。（4）智能化語音虛擬現(xiàn)實(shí)建模虛擬現(xiàn)實(shí)建模是一個(gè)比較繁復(fù)的過程，需要大量的時(shí)間和精力。筆者對(duì)模型的屬性、方法和一般特點(diǎn)的描述通過語音識(shí)別技術(shù)轉(zhuǎn)化成建模所需的數(shù)據(jù)，然后利用計(jì)算機(jī)的圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、導(dǎo)航和評(píng)價(jià)，將基本模型用對(duì)象表示出來，并邏輯地將各種基本模型靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地連接起來，最后形成系統(tǒng)模型。1．3．1虛擬現(xiàn)實(shí)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality,簡(jiǎn)稱VR）是由美國公司的JARON LANIER在1989年創(chuàng)造的一個(gè)新詞。虛擬現(xiàn)實(shí)不是一種真實(shí)的世界，而是一種虛假的，可交互的環(huán)境，人們可使用計(jì)算機(jī)等高級(jí)設(shè)備融入到虛擬的情境中去，行動(dòng)自如地觀察環(huán)境的全部或者局部乃至細(xì)節(jié)。是一種高級(jí)的人機(jī)交互活動(dòng)?？梢哉f人處在虛擬環(huán)境之中跟現(xiàn)實(shí)環(huán)境是沒有差別的 [7] 。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的任務(wù)是在計(jì)算機(jī)上生成看起來像真的的，動(dòng)起來像真的圖象，而用戶通過顯示器觀看計(jì)算機(jī)生成的圖象所構(gòu)造出來的世界景象。這三個(gè)重要特征與其相鄰近的技術(shù)(如多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)等) 相區(qū)別。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難辨真假的程度。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。因而可以說，虛擬現(xiàn)實(shí)可以啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。在對(duì)本選題的研究過程中，我深入地研究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)各種三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)進(jìn)行了比較分析，并以浙江科技學(xué)院為例，實(shí)現(xiàn)了校園環(huán)境的虛擬漫游。（2）虛擬校園場(chǎng)景建模；選擇了用3DSMAX來進(jìn)行模型的創(chuàng)建與修改活動(dòng)。采用3D MAX和VRML Pad實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景對(duì)象的建模、添加節(jié)點(diǎn)、校驗(yàn)和測(cè)試。（5）虛擬校園漫游系統(tǒng)的優(yōu)化。本文通過對(duì)實(shí)際操作中的一些過程和設(shè)計(jì)的總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上，充分描述VRML語言和相關(guān)軟件的使用和方法。第一章對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向作了概要性的介紹；第二章主要介紹了系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)框架和系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)工具。也探討了怎樣利用其他相關(guān)軟件與VRML結(jié)合設(shè)計(jì)與開發(fā)的問題。第四章研究了人與虛擬環(huán)境對(duì)象的交互方法；第五章介紹了設(shè)計(jì)時(shí)所做的系統(tǒng)優(yōu)化的工作與方法。38第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 為了保證整個(gè)場(chǎng)景能順利流暢地在普通高檔微機(jī)上運(yùn)行，同時(shí)達(dá)到實(shí)時(shí)漫游的功能以及安全可靠，按照任務(wù)側(cè)重點(diǎn)的不同，可將整個(gè)系統(tǒng)分解成場(chǎng)景模型子系統(tǒng)、漫游引擎子系統(tǒng)、渲染輸出子系統(tǒng)等，他們?cè)诠δ苌舷鄬?duì)獨(dú)立，通過數(shù)據(jù)接口相互聯(lián)系。基于場(chǎng)景分析的基礎(chǔ)上，我們制定了校園建模的計(jì)劃。 碰撞檢測(cè)：碰撞檢測(cè)是構(gòu)造虛擬漫游系統(tǒng)不可缺少的一個(gè)重要部分，它可以使用戶以更自然的方式與三維場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行交互。因此，構(gòu)造虛擬校園漫游系統(tǒng)時(shí)，必須能夠?qū)崟r(shí)、精確地判斷場(chǎng)景中物體之間是否發(fā)生碰撞。 地形匹配：地形對(duì)漫游的真實(shí)性和系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性有重要影響。地形對(duì)象三維模型的建立是開發(fā)虛擬校園必不可少的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)其它虛擬系統(tǒng)同樣如此。所以， 三維場(chǎng)景建筑建模是系統(tǒng)真實(shí)性的最真實(shí)的反映。2．2．1VRMLVRML是一種用于對(duì)三維虛擬場(chǎng)景進(jìn)行建模的描述性語言。VRML不完全等同于虛擬現(xiàn)實(shí)，但對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)生了重要的影響。而VRML則作為WEB上一種描述性的虛擬環(huán)境的造型語言獨(dú)立存在，它與設(shè)備無關(guān)。作為單純的三維造型和渲染工具，VRML提供的技術(shù)能夠把二維、三維、文本以及多媒體素材有效地集合在同一個(gè)虛擬環(huán)境當(dāng)中，從而使用戶沉浸其中。VRML建模語言有以下主要技術(shù)特征： （1）C/S工作方式。 （2）獨(dú)立平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)上的獨(dú)立性。VRML是用的是ASCII文本格式的三維場(chǎng)景式描述語言進(jìn)行編程。 （4）增強(qiáng)了靜態(tài)場(chǎng)景。、環(huán)境傳感器、感知傳感器以及碰撞傳感器可以對(duì)三維造型進(jìn)行實(shí)時(shí)交互仿真。通過SOUND節(jié)點(diǎn)，用戶可以具體設(shè)置聲音的大小、音源的位置、傳播方向等空間屬性。 （8）腳本支持。VRML通過Script節(jié)點(diǎn)引入Java或JavaScript語言編寫的腳本程序來擴(kuò)展其功能。系統(tǒng)右工作區(qū)主要用于編輯Vrml場(chǎng)景造型節(jié)點(diǎn)。圖21VrmlPad工作界面VrmlPad具體有主要功能特點(diǎn)：（1）可編輯本地或者網(wǎng)絡(luò)上的遠(yuǎn)程文件、可壓縮存儲(chǔ)；（2）支持高級(jí)查找、使用書簽、分色顯示、自動(dòng)偵錯(cuò)等編輯功能；（3）支持多步取消和重復(fù)操作；（4）采用樹形結(jié)構(gòu)顯示場(chǎng)景構(gòu)造；（5）支持在瀏覽器中對(duì)場(chǎng)景的瀏覽；（6）有功能強(qiáng)大的軟件發(fā)布向?qū)?；?）VrmlPad環(huán)境中可以處理和執(zhí)行其他語言編寫的外部應(yīng)用程序；（8）提供文件列表功能，方便用戶管理系統(tǒng)目錄[6]。3DS MAX通過構(gòu)建虛擬的3維世界，來表現(xiàn)真實(shí)現(xiàn)實(shí)中的存在。3DS MAX有著悠久的發(fā)展歷史，擁有世界上最多的3維軟件用戶群體，以及大量可提高其軟件性能的內(nèi)部和外部插件。因此，在本課題的校園建筑中，我們采用3DSMAX來進(jìn)行模型的創(chuàng)建與修改活動(dòng)。再通過參照這些資料，對(duì)建筑物進(jìn)行建模仿真。3DS MAX生成的模型，能通過“File (文件) ”——“Export (導(dǎo)出) ”菜單,以VRML 的文件格式輸出，通過這種方式使3DSMAX和VRML二者之間建立聯(lián)系。Children域中定義了Shape，它是一個(gè)長(zhǎng)寬高分別為90 20 1的Box。另外我們還添加了對(duì)Box的紋理貼圖。最后門牌的實(shí)例效果如圖22所示：圖22門牌的紋理貼圖2．2．3 Java與VRML結(jié)合盡管VRML是一個(gè)有力的3D語言，但它更大的功能來自于它能夠用程序語言去建立復(fù)雜、交互界面，這個(gè)程序語言就是JAVA語言?？梢哉f，VRML所戰(zhàn)線的正是JAVA要做的。，即Script節(jié)點(diǎn)和外部編程接口。VRML的Script節(jié)點(diǎn)是一種控制傳感器和內(nèi)插器的節(jié)點(diǎn)。Script節(jié)點(diǎn)可包含一個(gè)JAVA文件，當(dāng)Script初始化時(shí)調(diào)用。通過VRML瀏覽器外部編程接口EAI進(jìn)行編程，允許VRML與Web頁上的其他對(duì)象進(jìn)行溝通。系統(tǒng)的開發(fā)流程關(guān)系到該系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間和有效程度。使虛擬校園有一個(gè)基本的初體的模型。使校園更加形象生動(dòng)，更接近現(xiàn)實(shí)生活中的校園。碰撞檢測(cè)使該系統(tǒng)更加真實(shí)。圖23虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖在三維建模之前,還必須對(duì)校園環(huán)境進(jìn)行分析，選取最合適的建模方案。本章主要介紹了虛擬校園漫游系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和開發(fā)工具。明確了利用3D Studio Max軟件建立各種三維模型，編輯他們?cè)谔摂M現(xiàn)實(shí)世界中的位置和關(guān)系，形成一個(gè)完整和同一協(xié)調(diào)的虛擬世界。同時(shí)也初略介紹了虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)流程和相關(guān)問題。對(duì)于本系統(tǒng)中的校園場(chǎng)景，做了如下的分析。（2）從地理位置的分布上來看：浙江科技學(xué)院校內(nèi)河把學(xué)校一分為二，分為南北兩部分。北部分包括A教學(xué)樓區(qū)、B教學(xué)樓區(qū)與情人坡、小山等景觀性物體。采取各個(gè)擊破的原則，分別對(duì)各個(gè)建筑群建模。各個(gè)建模順序如下所示：（1）圖書館（大門）；（2）行政樓；（3）C教學(xué)樓區(qū)；（4）B教學(xué)樓區(qū)；（5）A教學(xué)樓區(qū)；（6）其他。VRML 和3DSMAX是常用的兩個(gè)建模工具。節(jié)點(diǎn)是VRML文件的核心和靈魂，在VRML 創(chuàng)造的虛擬場(chǎng)景中，任何對(duì)象都用節(jié)點(diǎn)表示。3．1．4地形地貌的建模地形對(duì)象模型庫在虛擬環(huán)境中分量很大，通常其多邊形數(shù)占系統(tǒng)總多邊形預(yù)算的1/3左右，它對(duì)漫游的真實(shí)性和系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性有重要影響。地形對(duì)象三維模型的建立是開發(fā)虛擬校園必不可少的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)其它虛擬系統(tǒng)同樣如此。通常，地形是不規(guī)則的，如草地高低不平，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行拉伸。最后，把所有制作好的模型導(dǎo)入到同一個(gè)文件里，進(jìn)行總體規(guī)劃排列，形成一個(gè)完整的三維場(chǎng)景。作者以航拍照片的平面圖作為參考，將圖掃描到計(jì)算機(jī)中，在3DS Max中作為底圖描出樓房底部輪廓線和具體位置，由于平面圖沒有提供高度信息，樓房高度采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，少部分參照數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片近似地獲取屋頂、陽臺(tái)這樣的細(xì)節(jié)也要參照相片如實(shí)建模。這樣，在為特定需求建模后，能把這些獨(dú)立的三維模型準(zhǔn)確地放入校園中，擴(kuò)大校園的范圍。這種工作方法也為今后將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于城市(區(qū)域)規(guī)劃、城市設(shè)計(jì)、建立更大規(guī)模的虛擬環(huán)境提供了一種可能。本系統(tǒng)模型大部分都基于3DS Max的模型設(shè)計(jì)，在3DS Max中完成，構(gòu)成物體三維圖形的基本要素是點(diǎn)、線、面。對(duì)于一般建筑物，表現(xiàn)出模型的基本輪廓和結(jié)構(gòu)，反映出必要的形體變化關(guān)系即可。由于三維虛擬校園的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，樓的形狀多樣、比較復(fù)雜，不同的樓要采用不同的建模技術(shù)。三維建模包括對(duì)象級(jí)建模、布爾建模、網(wǎng)格對(duì)象建模、面片建模等等。工具欄上的line按鈕，根據(jù)樓的形狀尺寸先在top視圖中勾畫出平面圖，再用修改器modify中的Extrude, wave, bend等進(jìn)行修改，獲得準(zhǔn)確的形狀模型，對(duì)于復(fù)雜形狀的樓，需借助更復(fù)雜的技術(shù)才能制作。對(duì)這三種曲線進(jìn)行三維拓展就可以得出相對(duì)應(yīng)的曲面，同時(shí)也用到了布爾建模。解決了這一個(gè)矛盾，就會(huì)取得良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸效果和虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)程度。達(dá)到精益求精的地步。再對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，用外輪廓線加拉伸或者放樣生成片段數(shù)為一的幾何體，最后，用包含細(xì)節(jié)的紋理映射到簡(jiǎn)單幾何體上，完成模型的建造，這些步驟就是二次建模的主要過程。（2）刪除和隱藏場(chǎng)景中的不可見和細(xì)微細(xì)節(jié)。（3）使用多細(xì)節(jié)層次模型技術(shù)。合理設(shè)置VRMLExport對(duì)話框參數(shù)。目前關(guān)于植物的造型主要有以下兩種方法，一種是通過Billbord貼圖來實(shí)現(xiàn)。（5）使用LOD 表達(dá)復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型。 （6）用紋理代替多邊形表達(dá)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。用LOD 模型配合一定細(xì)節(jié)程度的紋理來代替多邊形模型會(huì)大大降低系統(tǒng)的繪制負(fù)載。刪除數(shù)據(jù)庫中的冗余多邊形可以在一定程度上減少系統(tǒng)中的多邊形數(shù)量。（8）移除多邊形的背面。Creator 能自動(dòng)剔除多邊形的背面而僅顯示其前面。為減輕系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)載，提高渲染速度,如果多邊形是單面可見，應(yīng)確保其狀態(tài)沒被設(shè)定為Render Both Sides Visible[12]。紋理映射是包括VRML在內(nèi)的各種三維技術(shù)廣泛使用一種增效渲染方法，該方法通過在造型表面映射具有微觀細(xì)節(jié)的數(shù)字紋理，極大地改善了單純使用Material接點(diǎn)進(jìn)行造型材質(zhì)渲染所呈現(xiàn)的視覺宏觀效果。3．3．1紋理種類VRML紋理映射使用Appearance節(jié)點(diǎn)的texture域或者texture Transform域進(jìn)行；對(duì)于VRML以點(diǎn)、線、面方式構(gòu)造的復(fù)雜造型，還可以使用Texture Coordinate節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確紋理映射。（2）象素紋理（PixlTexture）象素紋理（PixlTexture）與圖象紋理（ImageTexture）、電影紋理（MovieTexture）的使用方法不同，它是利用image域?qū)⒂成浼y理直接存放在VRML文件中。